마이크로패턴이 형성된 PDMS 탄성 몰드의 제작 및 특성 분석
이 승 준†
†서원대학교, BIT융합대학 제약공학과
Fabrication and Characterization of Micropatterned Elastomeric PDMS Mold
Seung-Jun Lee
††Department of Pharmaceutical Science and Engineering, School of Convergence Bioscience and Technology, Seowon University, Cheongju, Chungbuk, Koreae
(Received :Aug. 2, 2017, Revised : Sep. 16, 2017, Accepted : Sep. 23, 2017)
Abstract : The ability to generate small structures is central to modern science and technology. Recently as many researchers make several studies of micro-/nano-scale patterns fabrication using PDMS (Polydimethylsiloxane).
PDMS is a widely used material for replicating micro-/nano-structures because of its flexibility, deformability, and easy fabrication. In this paper, micropatterned elastomeric PDMS molds were fabricated via various routes using soft lithography method. Then, microneedles arrays were manufactured using elastomeric PDMS mold by casting technique. The surface properties and the mechanical properties of micropatterned elastomeric PDMS were investigated by contact angle, hardness of surface, and flexibility of PDMS. The morphology of the microneedles was investigated with a scanning electron microscope (SEM). The hardness on the surface of elastomeric PDMS mold was decreased by increasing the amount of AK35(C) for use as a silicone plasticizer. Also, the flexibility of elastomeric PDMS mold was increased by increasing the amount of AK35(C).
Keyword : Elastomeric PDMS, photo lithography, soft lithography, solvent casting
1. 서 론
1)
마이크로 및 나노패턴을 형성하는 제조기술은 미세 패턴 단위에서 나타나는 특성으로 인하여 여러 산업분 야의 기반이 되는 기술로서 전기, 전자, 광학, 바이오 및 의공학 분야에 이르기까지 다양한 분야에 있어 파 급 효과를 줄 수 있는 핵심기반기술로 주목 받고 있 다.[1-5] 2000년대 이후부터는 미세패턴 가공기술 응 용범위가 전자소자에서 바이오칩이나 바이오센서와 같 은 바이오소자에까지 그 응용성이 날로 넓어지고 있 다.[6-7]
이러한 미세패턴을 제작하기 위한 공정기술로는 광 을 이용한 포토리소그래피(photo lithography)공정
†Corresponding Author 성 명 : 이 승 준
소 속 : 서원대학교 제약공학과
주 소 : 충북 청주시 서원구 무심서로 377-3 전 화 : 043-299-8415
E-mail : [email protected]
과 플랙셔블(Flexible)한 기판(substrate)을 이용한 소프트 리소그래피(soft lithography)공정으로 크게 2가지로 구분되어 소개되고 있다[8,9].
포토리소그래피(photo lithography)공정의 경우 구조물의 균일함과 정확성이 우수한 특성을 나타내는 반면 감광에 사용되는 광 소스의 물리적 한계로 인해 구현할 수 있는 구조물 크기의 한계와 곡면과 같은 고 차원적 표면상의 구현 한계를 갖고 있으며, 적용되는 광 소스에 따라 높은 공정비용이 요구되는 등의 문제 점이 제기되고 있다[10].
이와 같은 문제점을 보정하기 위하여 제안된 소프트 리소그래피(soft lithography)공정은 모세관력 리소 그래피(capillary lithography), 나노-임프린트 리소 그래피(nano-imprint lithography), 및 그라비아 롤(gravure roll) 또는 옵셋 롤(off-set roll)을 이용 한 롤-프린팅 리소그래피(roll-printing lithography) 같은 공정기술로써 소개되어 오고 있다.[11-12]
소프트 리소그래피(soft lithography)공정은 하나 의 원판(Master)을 탄성 고분자 물질로 복제하여 만 든 탄성 몰드(mold)를 이용하여 미세패턴을 만들 수 있다는 장점을 지니고 있지만, 소프트 리소그래피
(soft lithography)에 주로 적용되는 탄성 고분자 물 질인 PDMS (Polydimethylsiloxane)의 softness 한계로 인해 초미세패턴을 구현 하는 부분에 있어서는 공정상의 제약으로 인하여 이를 극복하기 위한 대안 기술이 계속 연구되고 있다.
최근에는 바이오분야 및 경피 약물전달시스템분야에 유연몰드를 이용하여 마이크로 니들 패턴 구조체를 형 성하고 유효성분의 전달의 효율성을 증가 시키는 연구 가 활발히 진행 되어 지고 있다.[13-14]
마이크로니들(microneedle)은 기존 경피형 제제 시스템의 문제점인 각질층에 의한 약물전달의 한계를 극복할 수 있는 새로운 형태의 전달 시스템으로 각질 층에 물리적으로 작은 구멍을 뚫어 그 통로를 이용하 여 약물을 전달하는 시스템이다.
이 시스템은 기존의 경피 전달 시스템에 비해 약 100 배 이상의 속도로 약물을 전달할 수 있는 장점이 있지만, 피부의 회복에 의해 구멍이 닫히게 되어 약물 의 전달량에 차이가 발생하게 된다.[15-17]
마이크로 니들 패턴을 제작하기 위해서는 마이크로 니들의 역형상을 가지는 탄성 몰드가 필요하고, 탄성 몰드의 유연한 정도에 따라 마이크로니들 제작 공정 및 형상에 영향을 미칠 수 있다. 탄성 몰드의 경도가 너무 hard하거나 몰드의 탄성율이 너무 높다면 니들 을 형성한 이후 분리(demolding)시 몰드의 구부러짐 (bending)에 의해 표면에 손상이 가거나 니들이 파괴 되는 현상이 발생 할 수 있어 탄성 몰드의 유연한 정 도를 조절하는 것은 니들 공정 및 형상에 영향을 줄 수 있다.
본 연구에서는 PDMS 탄성 몰드 제작시 사용 되는 구성 성분의 함량을 조절하여 탄성 몰드의 유연한 정 도를 조절 하였고, 유연 정도에 따라 제작된 몰드의 특성에 관하여 연구를 수행하였다.
2. 장 실험벙법
본 연구에서는 경피 흡수시스템으로 많이 연구되고 있는 마이크로 니들(microneedles) 구조체를 형성하 기 위해 적용되는 PDMS (Polydimethylsiloxane) 의 탄성 몰드(mold) 물질의 유연한 정도에 따라 몰드 를 제작하였고, 탄성 몰드의 표면특성, 표면경도 및 softness를 측정하여 분석하였다.
또한, 마이크로 니들을 제작 하여 SEM(scanning electron microscopy)을 통해 니들의 형상을 확인 하였다.
2.1 PDMS 탄성 몰드와 마이크로 니들 제작
마이크로 니들(microneedles) 탄성 몰드를 제작 하기 위해 사각뿔 형상의 니들 원판(master, EHWA Diamond Ltd)을 제작 하였다. 사각뿔 니들 원판 (master)을 ⌽90 페트리디쉬(petri dish)에 넣고 PDMS 탄성 몰드를 제작하기 위해 WACKER사의 ELASTOSIL RT 623(A)/(B) 와 AK 35(C) 세가 지 성분의 시약을 함량비에 따라 제조하였고, 자세한 것은 Table 1에 나타내었다.
RT 623 A와 B의 성분 비율은 A:B=90:10 으로 고정한 상태에서 AK 35 C의 함량비를 A와 B의 전체
% 함량에 대하여 5%, 10%, 15%, 20%, 30%의 함량비로 추가 첨가하여 용액을 제조하였다.
RT 623 A와 B는 작용기를 가진 PDMS Silicone Rubber용액과 부가가교결합을 위한 경화제이고 AK 35 C는 Silicone의 유연한 정도를 조절하는 Oil성분 의 실리콘 가소제 용액이다.[18]
Figure 1에 나타내었듯이 니들 원판(master)을
⌽90 페트리디쉬(petri dish)에 고정시키고, 니들 원 판(master)이 잠길 때까지 제조된 PDMS 용액을 부 운 후, 60℃의 오븐에서 4시간 이상의 고형화를 통해 제작을 진행 한다. PDMS 고형화 이후 니들 원판 (master)에서 몰드를 이형하게 되면 유연한 탄성 몰 드가 제작 된다. PDMS 몰드가 너무 hard하게 되면 이형시 구부러짐 피로도(bending fatigue)에 의해 탄 성 몰드가 손상 될 수 있어 주의가 필요하다.
마이크로 니들 제작은 이전에 발표된 논문을 참조하 여 제작 하였다.[19-20] 간단히 PDMS 탄성 몰드에 Hyaluronate (SK바이오랜드) 5%로 용해되어 있는 용액을 도포한 후, 원심분리(2000rpm/2min)하고, 상온 건조한다. 건조 후, 니들 구조체가 형성된 막을 탄성 몰드로부터 이형(demolding) 하여 사각뿔 형태 의 마이크로 니들을 제작 한다.
본 연구에서는 마이크로니들 master를 diamond wheel cutting 방식으로 제작이 용이한 사각뿔형태의 니들 형상을 제작하여 사용하였다.
Table 1. Recipes, Hardness and Water-Contact Angle of Elastomeric PDMS Mold Samples
Figure 1. Schematic diagram for the fabrication process of micropatterned elastomeric PDMS mold and
microneedles arrays 2.2 PDMS 탄성 몰드의 표면 특성 분석
상기 2.1에서 ELASTOSIL RT 623(A)/(B) 와 AK 35(C)의 함량비에 따라 제작된 탄성 몰드의 표면 특성을 Water contact angle 장치인 Phoenix 300 (S.E.O. Co., Ltd)를 이용하여 Contact angle을 측정하여 비교 분석 하였다. 분석 할 때의 Water contact angle의 조건은 상온에서 정제수로 측정 하 였다. 또한, 동일한 조건으로 제작된 PDMS 탄성 몰 드 표면에 10 point 4회 이상 Water contact angle을 측정 분석하여 평균값을 비교하였고 Figure 2에 10 point 위치와 측정 결과를 나타내었다.[21]
또한, 탄성 몰드 표면의 경도(hardness)를 특성을 분석하기 위해 Shore 00 와 Shore A 측정 장치인 HPE Shore 00와 HPE Shore A(BAREISS, Germany)를 이용하여 경도를 측정하여 비교 분석 하 였고, 측정 위치는 상기 contact angle 위치와 동일 하였다.
2.3 PDMS 탄성 몰드의 유연성 분석
상기 2.1에서 ELASTOSIL RT 623(A)/(B) 와 AK 35(C)의 함량비에 따라 제작된 탄성 몰드의 유연 한 정도를 확인하기 위해 마이크로 패턴이 형성된 몰 드 뒷면의 중앙부를 Texture analyzer 장치인 TA XT plus (Stable Micro Systems)를 이용하여 compression mode와 metal probe로 측정 하였다.
측정조건은, speed 1.0mm/sec, target distance 2.0 mm, 5 times 조건으로 측정하였다.
정해진 길이를 probe로 가압할 때 탄성 몰드에 가 해지는 힘(Force)을 측정하여 탄성 몰드의 인장정도 를 측정하고 이 결과를 통해 탄성 몰드의 유연한 정도 를 확인 하였다.
3. 장 결과 및 고찰 3.1 PDMS 탄성 몰드의 표면 특성 분석
Figure 1에 나타낸 공정에 따라 ELASTOSIL RT 623(A)/(B) 와 AK 35(C)의 함량에 따른 탄성 몰드 가 제작 되었고, 탄성 몰드의 표면 접촉각과 표면 경 도를 측정하였다. 그리고 sample type #5를 가지고 마이크로 니들 형상을 제작 하였다.
Figure 2에서 볼 수 있듯이, AK 35(C)의 함량을 5%, 10%, 15%, 20%, 30% 증량하여 제작된 탄성 몰드의 표면 접촉각은 공차 범위에서 볼 때 큰 변화는 나타나지 않았다.
Figure 2. The effect of water contact angle as the micropatterned elastomeric PDMS mold Types 이는 AK 35(C)의 함량이 증가 한다고 해도 표면 의 친수성 및 소수성 특성에는 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있었다. 만약, 마이크로 니들를 제작하는 공정에서 효율 및 수율 향상을 위해 AK 35(C)의 함 량을 증가하여야 하다면 표면 친수-소수성 특성에는 영향을 주지 않기 때문에 증량하여도 무관할 것으로 판단된다. 하지만, 계속적인 성분 함량의 증가로 인하 여 잔존량 영향이나 다른 불량을 유발 하는 인자들에 대해서는 더 많은 추가 연구가 진행 될 필요가 있다.
또한, 탄성 몰드의 표면 경도(hardness) 특성을 확인하기 위해 Shore 00 와 Shore A 측정하여 AK 35(C)의 함량비에 따라 제작된 탄성 몰드 Type들을 비교 분석 하였다.
Figure 3에서 볼 수 있듯이, AK 35(C)의 함량을 5%, 10%, 15%, 20%, 30% 증량함에 따라 제작된 탄성 몰드의 Shore 00 와 Shore A 값이 낮아지는 경향을 확인 할 수 있다. 이는 AK 35(C)의 함량이 증가함에 따라서 PDMS의 탄성율 또는 인장력 같은 기계적인 물성에 영향을 주어 유연성이 증가하여 표면 경도가 낮아지는 것으로 판단된다.
AK 35(C) 성분이 전체적인 몰드 용액에서 유연제 (softness agent)같은 계면활성제 역할로 작용하여 탄성 몰드의 유연성을 조절 하는 역할을 한다고 볼 수 있다.
Figure 3. The effect of shore hardness as the micropatterned elastomeric PDMS mold Types
3.2 PDMS 탄성 몰드의 유연성 특성 분석
ELASTOSIL RT 623(A)/(B) 와 AK 35(C)의 함량비에 따라 제작된 탄성 몰드의 유연한 정도를 확 인하기 위해 탄성 몰드의 Texture analyzer 분석을 진행하였다.
일반적으로 PDMS 고분자의 Youngs modulus(영 율)측정을 통해 탄성율를 확인 할 수 있지만, 마이크 로 패턴이 형성되어있는 PDMS 몰드 자체의 탄성율 를 직접 측정하는 것이 몰드내에 형성되어 있는 미세 한 패턴 에레이(arrays)로 인하여 정확한 측정이 불 가능하여 Texture analyzer를 통해 일정한 거리와 가압시간을 고정하고, probe로 가압할 때 탄성 몰드 에 가해지는 힘(Force)을 측정하여 탄성 몰드의 인장 정도를 측정하고, 이 결과를 통해 탄성 몰드의 유연한 정도를 추정 확인 하였다.(Figure 4)
Figure 4. Schematic illustrations for the flexibility measurement of micropatterned elastomeric PDMS mold
Figure 5에서처럼 AK 35(C)의 함량이 증가함에 따라서 탄성 몰드에 가해지는 힘(Force)이 작지는 것 을 볼 수 있다.
이는 AK 35(C)의 함량이 증가함으로써 유연제 역
할을 통해 유연성이 증가하여 연신율(elongation)이 증가한 것으로 판단된다.
연신율이 증가 하였다는 것은 AK 35(C)의 함량의 증가로 인한 Youngs modulus(영율)에 영향을 주어 탄성율의 변화로 인한 현상으로 해석 될 수 있다.
Figure 5. The effect of flexibility as the micropatterned elastomeric PDMS mold Types
탄성 몰드의 유연한 정도는 마이크로 니들을 제조하 는 공정에서 매우 중요한 인자로 작용한다.
Figure 1에서 볼 수 있듯이. 마이크로 니들이 제작 되는 공정에서 활성 시약을 도포한 이후, 니들을 고형 화 하기위해서는 건조 단계를 거치게 되고, 고형화 된 이후 니들의 시트를 탄성 몰드로부터 이형하려고 할 때 탄성 몰드의 유연성이 높을수록 탄성 몰드의 구부 러짐(bending)성이 향상 되어 니들의 형상을 유지하 면서 이형 될 수 있어 이형 효율성 및 마이크로 니들 수율에 영향을 줄 수 있는 인자로 작용 한다.
또한, 원판(master)에서 탄성 몰드를 분리시에도 너무 높은 경도일 경우 구부러짐(bending)시 탄성 몰 드의 구부러짐 피로도(bending fatigue)에 의해 Crack이 발생 할 수 있어 탄성 몰드의 유연성이 증가 되는 것은 이형시 공정의 효율성 향상에 영향을 미칠 수 있다.
Figure 1의 공정에 따라 제작된 마이크로 니들의 형상을 SEM(scanning electron microscope)으로 분석한 이미지를 Figue 6에 나타내었다. Figure 6에 서 볼 수 있듯이, 400um 높이의 사각뿔형태의 니들 이 형성 된 것을 확인 할 수가 있다.
최초 니들 원판(master)의 종횡비(aspect ratio) 및 치수(dimension)를 고려 할 때 니들를 형성하는 활성물질이 고형화 되는 건조 단계에서 나타나는 수축 현상으로 인하여 마이크로 니들의 모서리 부분에서 형 상의 작은 변화를 확인 할 수가 있다.
이와 같은 탄성 몰드가 제작 되는 공정 조건에 따라 마이크로 니들의 형상에 대한 영향과 물리적 및 화학 적 특성에 관한 연구는 계속 지속 할 것이다.
Figure 6. The morphology of microneedles arrays using SEM
4. 장 결론
본 연구 수행을 통해 탄성 몰드 제작시 첨가되는 성 분 중, AK 35(C)의 함량에 따라 탄성 몰드의 유연한 정도가 달라지는 것을 확인 할 수 이었다.
AK 35(C)의 함량을 5%, 10%, 15%, 20%, 30% 증량함에 따라 제작된 탄성 몰드의 Shore 00 와 Shore A 값이 낮아지는 경향을 확인 할 수 있었 고, 탄성 몰드의 유연한 정도를 확인하기 위해 탄성 몰드의 Texture analyzer 분석을 진행한 결과에서도 AK 35(C)의 함량이 증가함에 따라서 탄성 몰드에 가 해지는 힘(Force)이 작지는 것을 볼 수 있었다.
이는 AK 35(C)의 함량이 증가함으로써 유연제 역 할을 통해 Youngs modulus(영율)에 영향을 주어 연 신율(elongation)이 증가 하였고, 유연성이 증가한 것으로 판단된다.
또한, AK 35(C)의 함량이 증가 한다고 해도 표면 의 친수성 및 소수성 특성에는 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있었다.
감 사
이 논문은 한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사 업(과제번호 NRF-2017R1D1A1B03033077)의 지 원을 받아 수행된 연구임으로 이에 감사드립니다. 또 한, 연구 수행에 있어 기술적 조언을 주신 바커케미칼 코리아 이영복이사님과 서울대학교 이영균선생님께 감 사를 드립니다.
사용 기호
cm 2
⌽ Diameter
참고문헌
01. Fei, G., Tuinea-Bobe, C., Li, D., Li. G., Whiteside, B., Coates, P., and Xia, H., RSC Advances, 46(3), 24132-24139 (2013).
02. Park, Y. M., Bang, H. C., Seo, Y. H., and Kim, B.
H., Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 23(1), 64-68 (2014).
03. Nam, J., Lim, H., Kim, D., and Shin, S., Lab Chip, 19(11), 3361-3364 (2011).
04. Park, Y. M., Seo, S. H., Seo, Y. H., and Kim, B.
H., Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 24(1), 38-42 (2015).
05. Lee, M. J., and Kim, Y. S., Electronic Materials Letters, 3(3), 155-162 (2007).
06. Lee, S. J., Anandan V., and Zhang, G., Biosensors and Bioelectronics, 3, 1117-1124 (2008).
07. Wang, Z., Yang, Y., Xu, Z., Wang, Y., Zhang, W., and Shi, P., Nano Letter, 15, 7058-7063 (2015).
08. Chang, S. I., and Yoon, J. B., Optics Letters, 31(20), 3016-3018 (2006).
09. Li, T., Zhang, L., Leung, K. M., Yang, J., Journal of Micromechanics and Microengineering, 20(10), 105024 (2010).
10. Lee, B. K., Hong, L. Y., Lee, H. Y., Kim, D. P., and Kawai, T., Langmuir, 25(19), 11768-11776 (2009).
11. Lee, S. J., Park, D. J., Bae, J. H., Lee, S. H., Kim, J. K., Kim, K. Y., Bae, J. M., Kim, B. S., Lim, S.
K., Lee, S. W., Kwon, S., Seo, J. W., Kim, K. H., Cho, J. W., and Chang, J. H., Journal of Information Display, 11(2), 49-51 (2010).
12. Chang, J. H., Lee, S. G., Lee, K. B., Lee, S. J., Cho, J. W., Lee, S. W., Jo, G. R., Lee, K. Y., Kong, H. S., and Kwon, S., REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 86, 055108 (2015).
13. Lee, J. W., Park, J. H., and Prausnitz, M. R., Biomaterials, 29, 2113-2124 (2008).
14. Park, J. H., Allen, M. G., and Prausnitz, M. R., Journal of Controlled Release, 104, 51-66 (2005).
15. Han, M. R., Kim, E. Y., Jung, Y. H., Kim, M. S., and Park, J. H., Polymer, 37(3), 393-398 (2013).
16. Park, J. H., Chol, J. T., and Lee, H. S., BT NEWS, 22(1), 73-78 (2015).
17. Prausnitz, M. R. and Langer, R., Nature biotechnology, 26(11), 1261-1268 (2008).
18. http://www.wacker.com/, AK 35 SILICONE FLUID and ERT 623 A/B (2017).
19. Lee, H. S., and Park, J. H., Polymer, 38(3), 391-396 (2014).
20. Prausnitz, M. R., Advanced Drug Delivery Reviews, 56, 581-587 (2004).
21. Lee, S. J., Journal of Advanced Engineering and Technology, 9(1), 9-12 (2016).
